From Vision to Assistance: Gaze and Vision-Enabled Adaptive Control for a Back-Support Exoskeleton

ملخص تقني: من الرؤية إلى المساعدة: التحكم التكيفي المدعوم بنظر العين والرؤية لهيكل دعم الظهر الخارجي

بيان المشكلة
لا يزال ألم الظهر يمثل اضطراباً شائعاً مرتبطاً بالعمل، حيث تُقترح الهياكل الخارجية النشطة لدعم الظهر كحل لإعادة توزيع أحمال العمود الفقري. ومع ذلك، فإن فعالية الهياكل الخارجية النشطة تعتمد بشكل حاسم على توفير مساعدة في الوقت المناسب ومدركة للسياق. تعتمد استراتيجيات التحكم الحالية عادةً على إشارات المستخدم التفاعلية (مثل وحدات القياس بالقصور الذاتي IMU، أو تخطيط كهربائية العضلات EMG، أو عزم الدوران المطبق) أو أنظمة رؤية ثابتة لا تساهم مباشرة في حلقة التحكم. تفتقر هذه النهج غالباً إلى القدرة على إدراك البيئة التشغيلية، مما يؤدي إلى مساعدة غير متوقيتة قد تقلل من ثقة المستخدم، وراحته، وقبوله على المدى الططويل. وتحديداً، تعاني الأنظمة الحالية من صعوبة في التمييز بين قيام المستخدم بمجرد الانحناء للنظر إلى جسم ما وبين الانحناء للإمساك به فعلياً، مما يؤدي إلى تأخير في تقديم عزم الدوران خلال مراحل الرفع الحرجة.

المنهجية
يقترح المؤلفون إطار عمل للتحكم "المحكوم بالرؤية" (vision-gated control) لهيكل خارجي نشط للفقرات القطنية، يدمج الرؤية من منظور الشخص الأول مع تتبع حركة العين لتمكين المساعدة المدركة للسياق. تتكون بنية النظام من ثلاثة مكونات رئيسية:

1. وحدة الإدراك: باستخدام كاميرا مثبتة بمنظور الشخص الأول على نظارات (Tobio Pro Glasses 3)، يقوم النظام ببث إطارات RGB وإحداثيات النظر. يقوم كاشف YOLOv9 مضبوط بدقة بتصنيف الأجسام كـ "ممسوك" (Grasped) أو "غير ممسوك" (Not Grasped). ومن خلال رسم خريطة لتثبيت نظر المستخدم على مستوى الصورة، يولد النظام مؤشرات ثنائية ($\chi^+_t$ و $\chi^-_t$) لتحديد ما إذا كان المستخدم يثبت نظره على جسم ممسوك به. يقوم منطق الترشيح الزمني (نافذة منزلقة مع نسبة المكوث) بتحويل هذه المؤشرات إلى بوابة رؤية ثنائية قوية ($\mathbb{1}_{box}$)، مما يضمن أن الانتقالات تعكس أحداث الإمساك المتعمدة بدلاً من التقلبات العابرة.

2. آلة الحالة المحدودة (FSM): تدير هذه الآلة تقدم المهمة عبر أربع حالات: (0) الوقوف بدون صندوق، (1) الانحناء لالتقاط، (2) الوقوف مع صندوق، (3) الانحناء لوضع الصندوق. يتم تحفيز الانتقالات عبر عتبات ميل الجذع ($\theta_{stand}$, $\theta_{bend}$) وبوابة الرؤية. ومن الأهمية بمكان أن بوابة الرؤية تسمح للنظام بتفعيل الانتقال ذاتياً من "الانحناء للالتقاط" إلى "الوقوف مع صندوق" (الحالة 1 $\leftarrow$ 2) وإدارة عملية التحرير (الحالة 3 $\leftarrow$ 0) بناءً على حالة الإمساك، بدلاً من الاعتماد فقط على وضعية الجسم.

3. التحكم بالامتثال المتغير (Variable Admittance Control): يقدم المتحكم عزم الدوران المساعد ($\tau_{ass}$) عبر قانون الامتثال. عزم الدوران المرجعي هو مجموع أوزان لعزم دوران الجذع ($\tau_w$) وعزم دوران الصندوق ($\tau_{box}$). إن إدراج $\tau_{box}$ محكوم ببوابة الرؤية. يستخدم النظام استراتيجية صلابة متغيرة، حيث يتنقل بين وضع "اللين" (قابل للانعكاس، $K=0$) ووضع "الصلب" (صلب، $K \ge K_{min}$) بناءً على سرعة الحركة، مع انتقالات سلسة لضمان الانسيابية.

البروتوكول التجريبي
أُجريت دراسة مستخدم على 15 متطوعاً سليماً قاموا بتجارب متكررة لرفع أحمال بوضعية الانحناء لصندوق يزن 4 كجم. قارنت الدراسة بين ثلاثة ظروف:

• EC1: لا يوجد هيكل خارجي (خط الأساس).
• EC2: هيكل خارجي مع تحكم قائم على الوضعية (بدون رؤية).
• EC3: هيكل خارزي محكوم بالرؤية.

لم يكن المشاركون على دراية بتفعيل الرؤية في EC2 مقابل EC3 لتجنب التحيز. تم تقييم الأداء من خلال تحليل عزم الدوران الموضوعي واستبيان مكون من 13 بنداً وفق مقياس ليكرت لتقييم الطلب البدني، والانسيابية، والثقة، والراحة.

النتائج الرئيسية

• دقة الإدراك: حقق كشف الإمساك القائم على YOLO درجة F1 متوسطة (macro-averaged) بلغت 92.35% (الدقة: 92.84%، والاستدعاء: 91.86%).
• الطلب البدني: أظهر التحليل الإحصائي (اختبار فريدمان، $p < 0.001$) أن حالة التحكم المحكوم بالرؤية (EC3) قللت بشكل كبير من الطلب البدني المدرك مقارنة بكل من خط الأساس (بدون هيكل خارجي) والهيكل الخارجي القائم على الوضعية فقط (EC2). كانت درجات EC3 أعلى بشكل ملحوظ (المتوسط 3.60) من EC2 (المتوسط 2.13).
• تجربة المستخدم: بالنسبة لجميع المقاييس الذاتية (الانسيابية، الثقة، الراحة، الفهم المتبادل)، تفوق وضع التحكم بالرؤية بشكل كبير على وضع التحكم بالوضعية (اختبارات رانك ويلكوكسون، $p < 0.05$ بعد تصحيح هولم). كانت أحجام التأثير كبيرة (Kendall's $W = 0.752$ للطلب البدني؛ وارتباطات رانك-بايسيريال غالباً $\ge 0.80$).
• أداء التحكم: أظهر التحليل الكمي أن التحكم بالرؤية مكّن من تقديم مساعدة أبكر وأقوى. قلل النظام من الفجوة الزمنية بين الإمساك الفعلي وبدء عزم الدوران، لا سيما خلال المرحلة الحرجة من الانحناء إلى الرفع. لم يحتج المشاركون للوص_ل إلى عتبة وضعية معينة لتلقي الدعم، حيث توقع النظام المهمة بناءً على حدث الإمساك.

الأهمية والادعاءات
يدعي البحث أن دمج الرؤية من منظور الشخص الأول وتتبع حركة العين في حلقة التحكم للهيكل الخارجي النشط لدعم الظهر يزيد بشكل كبير من الاستجابة، والارغونوميا (الهندسة البشرية)، والسلامة، وقبول المستخدم. من خلال الانتقال من التحكم التفاعلي القائم على الوضعية فقط إلى المساعدة الاستباقية المدركة للسياق، يعالج الإطار المقترح "العمى" الذي تعاني منه الهياكل الخارجية الحالية تجاه البيئة التشغيلية. تشير النتائج إلى أن المساعدة المحكومة بالرؤية تحسن طبيعة التعاون بين الإنسان والروبوت، مما يعزز ثقة وراحة أكبر، وهما عاملان حاسمان للتبني الصناعي للهياكل الخارجية النشطة.

القيود والعمل المستقبلي
يقر المؤلفون بأن الدراسة أجريت تحت ظروف مختبرية مضبوطة مع نوع واحد من الصناديب ووزن معروف. ويشيرون إلى أن العمل المستقبلي يجب أن يعالج الأحمال المتغيرة، ربما من خلال التقدير عبر الإنترنت للوزن أو التكيف الديناميكي. بالإضافة إلى ذلك، ركزت الدراسة الحالية على دعم الفقرات القطنية؛ وتهدف الإصدارات المستقبلية إلى دمج التحكم المنسق في مفاصل الفقرات القطنية والحوض لدعم مهام متنوعة مثل القرفصاء والمشي.